城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)研究

吳永深

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)是能夠代替司機(jī)控制列車、駕駛汽車的信號(hào)系統(tǒng)，在無(wú)人值守的情況下能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄟ\(yùn)輸提供必要的指導(dǎo)。在城市軌道交通的快速發(fā)展下，與之關(guān)聯(lián)配套的技術(shù)形式也層出不窮，特別是在客流量大的一線城市，增加軌道交通線路、完善新線建設(shè)成為緩解城市人流量大的一大關(guān)鍵。另外，城市軌道交通的深入建設(shè)發(fā)展對(duì)司機(jī)、乘務(wù)人員的人員需求不斷增加，不僅加大了交通運(yùn)輸成本，而且復(fù)雜的工作量完全依賴人工處理，在高額度重復(fù)作業(yè)的模式下容易出現(xiàn)安全事故。為了減少城市軌道交通安全事故發(fā)生，借助全自動(dòng)化交通無(wú)人駕駛技術(shù)替代人工駕駛技術(shù)成為城市軌道交通發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。

1 城市軌道交通無(wú)人駕駛的核心理念

1.1 運(yùn)營(yíng)駕駛環(huán)節(jié)的自動(dòng)化發(fā)展

無(wú)人駕駛的核心是在保障質(zhì)量的情況下減少人員參與，使用先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備替代傳統(tǒng)的人工活動(dòng)。在自動(dòng)化技術(shù)的支持下可以提升地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的自動(dòng)化能力；同時(shí)，通過(guò)增加設(shè)施設(shè)備可以提前預(yù)警車輛行駛過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，并采取對(duì)應(yīng)的措施予以解決。在地鐵行車過(guò)程中，遇到緊急情況的時(shí)候，地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)可以借助提前制定好的方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些情況。城市軌道交通運(yùn)營(yíng)駕駛各環(huán)節(jié)的自動(dòng)化流程如圖1所示[2]。

圖1 城市軌道交通運(yùn)營(yíng)駕駛各環(huán)節(jié)的自動(dòng)化流程

1.2 減少軌道交通信號(hào)系統(tǒng)后備模式

在城市軌道交通運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，無(wú)人駕駛是自動(dòng)化程度最高的，而與較高自動(dòng)化程度對(duì)應(yīng)的是低后備模式。在軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)自動(dòng)化程度提升之后，與之對(duì)應(yīng)的后備模式就會(huì)減少。

1.3 轉(zhuǎn)移列車司機(jī)的職能

在城市軌道交通運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中由于沒(méi)有司機(jī)，之前需要司機(jī)解決的問(wèn)題就會(huì)由行車控制系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)來(lái)完成。特別是在遇到緊急事故的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)工作人員要能夠根據(jù)廣播要求來(lái)執(zhí)行一系列的操作。

2 城市軌道交通無(wú)人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 各類接口

信號(hào)系統(tǒng)和洗車機(jī)接口，在聯(lián)鎖子系統(tǒng)和洗車機(jī)接口的順利連接下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)洗車機(jī)的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗車的功能。信號(hào)系統(tǒng)和有線廣播系統(tǒng)的順利連接，信號(hào)系統(tǒng)和有線廣播系統(tǒng)接口，在整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中通過(guò)開展控制中心到列車的無(wú)障礙信息傳送模式，在列車運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候可以在第一時(shí)間通過(guò)PAS 來(lái)通知乘客，增加門控制接口，針對(duì)單扇門系統(tǒng)故障，信號(hào)系統(tǒng)能夠和車輛、站臺(tái)屏蔽門控制設(shè)備連接在一起，通過(guò)彼此的連接能夠?qū)崿F(xiàn)單扇門的隔離功能。

信號(hào)系統(tǒng)和列車的接口，軌道交通無(wú)人駕駛接口關(guān)聯(lián)到上車門接口、牽引接口、制動(dòng)接口；當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)、逃生門接口在出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候可以及時(shí)觸動(dòng)逃生門[3]。

2.2 停車場(chǎng)的設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人駕駛，在城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)作的時(shí)候要為城市軌道交通配備對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化停車場(chǎng)。地鐵軌道交通停車場(chǎng)按照需要會(huì)被劃分成防護(hù)區(qū)域，各個(gè)防護(hù)區(qū)域之間可以使用門禁系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行隔離，并通過(guò)門禁系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此的互通互聯(lián)。

2.3 全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在城市軌道交通無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行中，傳統(tǒng)意義上的閉路電視、車內(nèi)監(jiān)督控制操作局限性較大，在具體實(shí)施的時(shí)候只針對(duì)站廳、站臺(tái)以及出入口位置上的乘客監(jiān)控。雖然車內(nèi)設(shè)置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是獲取的信息無(wú)法被及時(shí)傳輸?shù)降孛嫔希旧鲜遣扇〗换サ男畔鬟f方式。

在使用無(wú)人駕駛系統(tǒng)之后，需要打造出一個(gè)全方位、沒(méi)有盲點(diǎn)的實(shí)時(shí)性監(jiān)督控制體系，在這個(gè)體系的作用下能夠全方位監(jiān)測(cè)站臺(tái)、停車場(chǎng)、列車、隧道的信息，同時(shí)打造出綜合監(jiān)督控制系統(tǒng)，在出現(xiàn)危險(xiǎn)問(wèn)題的時(shí)候可以及時(shí)啟動(dòng)緊急停車裝置，并將報(bào)警信息通過(guò)聯(lián)動(dòng)的方式傳遞到視頻監(jiān)控系統(tǒng)上[4]。

另外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性監(jiān)督控制，還需要借助先進(jìn)的技術(shù)形式來(lái)打造出視頻分析系統(tǒng)。從實(shí)際運(yùn)行角度來(lái)看，傳統(tǒng)意義上的地鐵視頻是依托圖像來(lái)完成信息的監(jiān)督控制，很少會(huì)涉及視頻分析。在地鐵全自動(dòng)化監(jiān)督控制之后，借助視頻能夠?qū)Ω蓴_信息進(jìn)行精準(zhǔn)地分析，幫助相關(guān)人員及時(shí)了解車站的客流量信息，并將所獲得的信息反饋給中央調(diào)度系統(tǒng)，中央調(diào)度系統(tǒng)在獲取信息之后會(huì)向下發(fā)送處理方案，解決各個(gè)站臺(tái)客流量大的問(wèn)題。

這是兩棟造型幾乎完全一樣的建筑，外形都呈直角三角形，其中一邊的墻壁和地面垂直，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去，就像一個(gè)大寫的英文字母A被劈成了兩半?！霸掠梆^”位于A座一層，是小達(dá)重點(diǎn)監(jiān)視的對(duì)象。

2.4 通信系統(tǒng)

使用長(zhǎng)期性的演進(jìn)分析系統(tǒng)來(lái)對(duì)一系列的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，為了保障信息傳遞質(zhì)量，需要使用1.8GHz 專網(wǎng)頻段來(lái)完成信息的收集整理，并在信息整理的時(shí)候減少外界干擾。在信息收集整理之后，可以使用20MHz 的載波頻率來(lái)進(jìn)行配置，從而保障地鐵車站內(nèi)部擁有足夠數(shù)量的無(wú)線通道。

同時(shí)，在信息傳遞的時(shí)候還需要建立雙LTE 通信網(wǎng)絡(luò)備份機(jī)制，在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫切換。在所有信息管理的時(shí)候兩張LTE 網(wǎng)絡(luò)信息互為備份[5]。

3 城市軌道交通無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的功能需求和運(yùn)行控制

3.1 列車的休眠喚醒

城市軌道列車在退出運(yùn)營(yíng)之后會(huì)進(jìn)入車庫(kù)，車上的列車監(jiān)督控制管理系統(tǒng)、閉路電視、牽引系統(tǒng)、照明空調(diào)等都需要斷開電源，在電源切開之后列車會(huì)進(jìn)入休眠的狀態(tài)。列車的休眠指令會(huì)由列車自動(dòng)監(jiān)控下達(dá)給車載信號(hào)設(shè)備，列車監(jiān)督控制能夠向下發(fā)送休眠命令。

3.2 車輛自動(dòng)投入正線

在城市軌道車輛有人員駕駛的時(shí)候，列車會(huì)正式投入運(yùn)營(yíng)。在列車運(yùn)行的過(guò)程中，場(chǎng)調(diào)負(fù)責(zé)車輛運(yùn)行計(jì)劃的制定，信號(hào)樓的值班人員會(huì)接受場(chǎng)調(diào)的指揮，通過(guò)層級(jí)配合能夠?yàn)榱熊嚢才沤邮軋?chǎng)調(diào)的指揮。在軌道列車由專門人員轉(zhuǎn)換到其他軌道且停車之后，列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)為列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分配時(shí)刻表班次。

3.3 列車回庫(kù)和自動(dòng)化停車

自動(dòng)回庫(kù)的工程操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，在軌道交通無(wú)人駕駛的線路中，列車自動(dòng)監(jiān)控會(huì)按照既定的計(jì)劃將列車調(diào)度到投入或者退出的點(diǎn)，在到達(dá)指定的位置之后，投入和退出的列車會(huì)由列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分配庫(kù)線，列車會(huì)自動(dòng)運(yùn)行到庫(kù)線?？?，在完成運(yùn)營(yíng)之后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.4 自動(dòng)洗車

地鐵列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)會(huì)和洗車機(jī)的接口密切連接在一起，列車在運(yùn)行的時(shí)候按照指令自動(dòng)?？吭谙窜噹?kù)的虛擬站臺(tái)上，在接收到上級(jí)指令之后列車會(huì)以比較低的速度運(yùn)行，同時(shí)洗車刷對(duì)運(yùn)行中的車輛進(jìn)行清洗[6]。

3.5 城市軌道交通自動(dòng)化區(qū)域作業(yè)人員的防護(hù)

對(duì)于能夠進(jìn)入自動(dòng)化區(qū)域的工作人員，包含自動(dòng)化系統(tǒng)作業(yè)人員、列車巡檢維護(hù)人員等，在他們正式進(jìn)入防護(hù)區(qū)域之前，系統(tǒng)作業(yè)人員要采取措施激活請(qǐng)求開關(guān)，在獲取允許之后作業(yè)人員才能夠進(jìn)入場(chǎng)地。

3.6 列車停站

列車停站需要考慮停站對(duì)準(zhǔn)情況，列車自動(dòng)監(jiān)督控制系統(tǒng)在檢測(cè)到停站的時(shí)候不會(huì)在對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)模式，在進(jìn)入這個(gè)模式的時(shí)候其會(huì)將列車的行駛情況報(bào)告給各個(gè)乘客。多次嘗試之后獲得成功，列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)會(huì)向行調(diào)報(bào)告報(bào)警[7]。

3.7 門故障處理

3.8 列車故障運(yùn)行模式

如果列車的制動(dòng)能力超過(guò)了限定值的列車，列車就會(huì)退出FAO 模式，列車由此會(huì)進(jìn)入牽引模式或者蠕動(dòng)模式。在車輛進(jìn)入牽引或者蠕動(dòng)模式后，車載控制器就會(huì)通過(guò)專用車線來(lái)控制列車的運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候列車維護(hù)人員再到車上處理問(wèn)題。

4 城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

4.1 車載子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

車載子系統(tǒng)會(huì)和軌道交通控制中心無(wú)縫連接在一起，通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)連接能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)地鐵軌道交通的運(yùn)行故障，再根據(jù)故障來(lái)做出相應(yīng)的預(yù)警。城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行可能遇到的故障信息包含制動(dòng)器拖滯、牽引故障、火煙報(bào)警系統(tǒng)、低氣壓系統(tǒng)、駐車制動(dòng)故障。另外，城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的控制中心還需要具備遠(yuǎn)程控制車門和遠(yuǎn)程重置的能力。從車載設(shè)備的功能來(lái)看，無(wú)人駕駛技術(shù)要求地鐵車輛具備自動(dòng)牽引功能、停站、對(duì)標(biāo)、緊急制動(dòng)的緩解能力，在運(yùn)行的時(shí)候要能夠根據(jù)不同場(chǎng)景來(lái)采取不同的制動(dòng)率，從而獲得最為理想的制動(dòng)效果[8]。

4.2 軌旁子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

取消城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的后備模式、聯(lián)鎖、計(jì)軸設(shè)備，城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)在CBTC 模式的作用下按照系統(tǒng)控制要求自行運(yùn)行，列車由自動(dòng)防護(hù)設(shè)備控制，列車定位由傳感器以及感應(yīng)環(huán)線負(fù)責(zé)，不需要額外配置聯(lián)鎖設(shè)備。配備軌道異物入侵檢測(cè)系統(tǒng)，在無(wú)人駕駛模式的影響下，列車自動(dòng)運(yùn)行需要由異物入侵檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)中的激光、紅外線和雷達(dá)波會(huì)及時(shí)檢測(cè)到進(jìn)入軌道交通系統(tǒng)中的異物。強(qiáng)化視頻監(jiān)控和乘客廣播系統(tǒng)，在CBTC 模式控制下的城市軌道交通系統(tǒng)一旦遇到突發(fā)情況，列車會(huì)將這些信息告知乘客；而在城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的作用下，在不需要地鐵工作人員的情況下就能夠解決地鐵運(yùn)行中可能遇到的故障[9]。

4.3 自動(dòng)化停車場(chǎng)的設(shè)計(jì)需求

為了能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通的無(wú)人駕駛，在城市軌道中需要設(shè)置全自動(dòng)停車場(chǎng)，全自動(dòng)停車場(chǎng)的內(nèi)部會(huì)設(shè)置專門的CBTC 區(qū)域和人工維修區(qū)域。在設(shè)置好區(qū)域之后，為了保障人員安全，還需要對(duì)兩個(gè)區(qū)域?qū)嵤┍匾奈锢砀綦x。CBCT 區(qū)域內(nèi)部應(yīng)設(shè)置門禁和防護(hù)區(qū)域，為信號(hào)的接入提供必要支持。在有人員入侵CBTC 系統(tǒng)的時(shí)候，城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)控制中心以及停車場(chǎng)的值班人員能夠借助從ATS 上獲取的信息來(lái)調(diào)控車輛。

4.4 城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)需求分析

4.4.1 日常運(yùn)營(yíng)需求

在地鐵軌道交通運(yùn)行的時(shí)候會(huì)有很多信息匯入其中，城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)中只需要配備少量的人員就能夠在地鐵系統(tǒng)遇到緊急故障的時(shí)候及時(shí)提供救援。

4.4.2 地鐵軌道交通出現(xiàn)故障和緊急狀況下的需求

（1）ATS 系統(tǒng)故障時(shí)的應(yīng)對(duì)

ATS 作為城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，在使用的時(shí)候能夠在突發(fā)情況的時(shí)候仍然保障系統(tǒng)的運(yùn)行。

（2）軌旁ATP 系統(tǒng)故障的解決對(duì)策

在軌道交通工作設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候就會(huì)出發(fā)緊急制動(dòng)，這個(gè)時(shí)候故障報(bào)警信息會(huì)在控制中心ATS界面上顯示出來(lái)。列車調(diào)度人員可以通過(guò)車載廣播系統(tǒng)將故障的情況告知乘客，在器械準(zhǔn)備好之后立即啟動(dòng)，故障信息會(huì)被綜合處理，為列車的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

5 城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

列車系統(tǒng)是安全苛求系統(tǒng)。在城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，列控系統(tǒng)設(shè)備會(huì)承擔(dān)比較多的功能，系統(tǒng)運(yùn)行所管控的內(nèi)容比較多，且有些場(chǎng)景中的風(fēng)險(xiǎn)是需要專人管控的。為了能夠更好地促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行，在城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候需要相關(guān)人員應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)分析和緩解系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)，比如：在設(shè)計(jì)線路的時(shí)候要為線路的運(yùn)行提供封閉、安全的環(huán)境，并在車輛行駛的過(guò)程中借助傳感器來(lái)監(jiān)督控制車輛的運(yùn)行。另外，在城市軌道交通駕駛系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)緊急故障或者突發(fā)故障的時(shí)候，借助無(wú)人駕駛系統(tǒng)能夠?qū)收蠈?shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)督控制，根據(jù)故障的表現(xiàn)來(lái)采取有針對(duì)的措施予以處理。特別是在設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候，提前設(shè)計(jì)的預(yù)案要能夠充分緩解影響車輛運(yùn)行的不確定因素。此外，城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)會(huì)依托通信的列車控制系統(tǒng)來(lái)連接外部，網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性是保障系統(tǒng)和外界順利通信的關(guān)鍵。城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的軌道交通管理會(huì)產(chǎn)生變革性的影響，同時(shí)也給項(xiàng)目的建設(shè)帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。在未來(lái)，為了保障軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，我們需要充分吸收和借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的項(xiàng)目規(guī)劃方案，對(duì)地鐵駕駛系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，城市軌道交通無(wú)人駕駛技術(shù)的關(guān)鍵思想是通過(guò)提高冗余度和完善控制中心對(duì)車載系統(tǒng)的控制能力來(lái)穩(wěn)定車輛的運(yùn)行。城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)為分布結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)的作用下系統(tǒng)控制中心的強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)。另外，強(qiáng)化對(duì)地鐵軌道運(yùn)行人員的培訓(xùn)，通過(guò)培訓(xùn)使其掌握更多的地鐵軌道交通無(wú)人駕駛技能，從而更好地發(fā)揮出城市軌道交通無(wú)人駕駛系統(tǒng)的作用。